CN105655719B - 电磁波透射增强装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电磁波技术领域,尤其涉及一种电磁波透射增强装置。本发明提出的电磁波透射增强装置,用于增强入射平面电磁波的透射能力,包括金属板,该金属板上设置有一个通孔,该通孔为亚波长结构;该通孔内设置一个介质颗粒,该介质颗粒从该通孔两侧伸出;该介质颗粒的谐振频率等于该入射平面电磁波的频率。本发明电磁波透射增强装置采用介质谐振耦合原理,实现了入射电磁波在亚波长结构金属孔内的透射增强效果,结构简单,尺寸小,便于器件小型化和集成化。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波技术领域,尤其涉及一种电磁波透射增强装置。
背景技术
在各种以电磁波为传输媒介的电子器件中,普遍存在电磁波在亚波长金属孔中的透射率低这个问题。一般来说,厚的金属层不能透射入射电磁波。如果在金属层形成的孔的尺寸比入射电磁波的波长小得多,那么透射电磁波的强度明显降低。然而,如果在金属层上周期性地排列多个亚波长小孔,那么由于表面等离子体的激发而使电磁波的透射率明显增大。
这是在利用金属表面激发的表面等离子极化激元现象来实现电磁波透射增强。具体来讲,就是一个位于亚波长金属孔阵列中心或周期性沟槽中央的亚波长金属孔,具有使特定工作频段的电磁波产生透射增强的作用。但表面等离子耦合引起的亚波长金属孔透射增强在应用中会受到一些限制。比如,透射谱的带宽极其狭窄、金属膜的厚度使透射率呈指数下降等。
发明内容
鉴于此,本发明提出一种不同于表面等离子极化激元原理的亚波长金属孔电磁波透射增强装置。该电磁波透射增强装置结构简单,尺寸小,便于器件小型化和集成化。
本发明提出的电磁波透射增强装置,用于增强入射平面电磁波的透射能力,包括金属板,该金属板上设置有一个通孔,该通孔为亚波长结构;该通孔内设置一个介质颗粒,该介质颗粒从该通孔两侧伸出;该介质颗粒的谐振频率等于该入射平面电磁波的频率。
进一步地,该电磁波透射增强装置介质颗粒的介电常数温度系数的绝对值大于100×10-6/℃。
进一步地,该电磁波透射增强装置的介质颗粒的材料为二氧化钛或钽酸钾。
一束平面电磁波在向前传播的过程中,如果遇到传输突变的结构,比如,金属板上亚波长尺度的通孔,则大部分电磁能量会被金属板反射回去,透过通孔到达金属板另一侧的电磁能量非常低。Bethe理论认为,入射电磁波对亚波长金属孔的透射率与(d/λ)4成正比,也就是说,若金属板上通孔的孔径d远小于入射光的波长λ时,平面电磁波的传输效率远小于1。
本发明提出的电磁波透射增强装置用于增强入射平面电磁波的透射能力。该电磁波透射增强装置在金属板上设置有一个亚波长结构的通孔,该通孔内设置一个介质颗粒,该介质颗粒从该通孔两侧伸出;该介质颗粒的谐振频率等于该入射平面电磁波的频率。在频率与该介 质颗粒的谐振频率相等的入射电磁波激励下,介质颗粒将入射空间的大部分电磁能量吸收在介质颗粒内部,在介质颗粒内部形成一个电磁能量高度局域化的区域。另一方面,该介质颗粒把入射空间的电磁能量有效地吸收到该亚波长结构金属孔的内部后,又将该电磁能量辐射出去,从而将入射平面电磁波从金属板的一侧透射到金属板的另一侧。
本发明提出的电磁波透射增强装置采用介质谐振耦合原理,实现了入射电磁波在亚波长结构金属孔内的透射增强效果。该电磁波透射增强装置结构简单,尺寸小,便于器件小型化和集成化。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本发明的实施例,并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明实施例2电磁波透射增强装置的正向示意图;
图2为本发明实施例2电磁波透射增强装置的侧向示意图;
图3为本发明实施例2电磁波透射增强装置在不放置介质颗粒时的透射率测试曲线图;
图4为本发明实施例2电磁波透射增强装置在放置介质颗粒时的透射率测试曲线图;
图5为本发明实施例2电磁波透射增强装置的透射增强峰值频率随温度变化的曲线图;
其中,1为金属板,2为介质颗粒,3为亚波长结构的通孔。
具体实施方式
为使实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合实施例中的附图,对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于下述的实施例,本领域普通技术人员在未做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例电磁波透射增强装置,用于增强入射平面电磁波的透射能力,包括金属板,该金属板上设置有一个通孔,该通孔为亚波长结构;该通孔内设置一个介质颗粒,该介质颗粒从该通孔两侧伸出;该介质颗粒的谐振频率等于该入射平面电磁波的频率。
一束平面电磁波在向前传播的过程中,如果遇到传输突变的结构,比如,金属板上亚波长尺度的通孔,则大部分电磁能量会被金属板反射回去,透过通孔到达金属板另一侧的电磁能量非常低。Bethe理论认为,入射电磁波对亚波长金属孔的透射率与(d/λ)4成正比,也就是说,若金属板上通孔的孔径d远小于入射光的波长λ时,平面电磁波的传输效率远小于1。
本实施例电磁波透射增强装置在金属板上设置有一个亚波长结构的通孔,该通孔内设置 一个介质颗粒,该介质颗粒从该通孔两侧伸出;该介质颗粒的谐振频率等于入射平面电磁波的频率。在频率与该介质颗粒的谐振频率相等的入射电磁波激励下,介质颗粒将入射空间的大部分电磁能量吸收在介质颗粒内部,在介质颗粒内部形成一个电磁能量高度局域化的区域。另一方面,该介质颗粒把入射空间的电磁能量有效地吸收到该亚波长结构金属孔的内部后,又将该电磁能量辐射出去,从而将入射平面电磁波从金属板的一侧透射到金属板的另一侧。
本实施例电磁波透射增强装置采用介质谐振耦合原理,实现了入射电磁波在亚波长金属孔内的透射增强效果。该透射增强装置结构简单,尺寸小,便于器件小型化和集成化。
根据入射电磁波的频率和波长,制备亚波长结构的通孔和介质颗粒。
由于电磁波透射增强装置的工作频率与介质颗粒的谐振频率相同,所以要实现某一频率处的亚波长金属孔透射增强效果,需设计介质颗粒的谐振频率,使该介质颗粒的谐振频率等于该入射平面电磁波的频率。
通常,介质颗粒的谐振频率是由其材料的介电常数和介质颗粒的尺寸共同决定的。材料的介电常数越高,对应的谐振频率越低;介质颗粒的尺寸越大,其对应的谐振频率也越低。所以,通过提高材料的介电常数,就可大大缩小介质颗粒的尺寸。因此,为使介质颗粒的谐振频率能满足亚波长金属孔透射增强装置的需要,需要选择高介电常数、低损耗的材料。另一方面,为了使电磁能量更好地集中于介质颗粒的内部而不被耗散掉,低介质损耗角正切的材料也是十分必要的。
优选地,该介质颗粒的介电常数大于10;介质颗粒的介质损耗角正切小于0.1。
优选地,该介质颗粒的材料为二氧化钛或钽酸钾。
优选地,本实施例电磁波透射增强装置介质颗粒的形状可以是球体、正方体、长方体或任意形状,介质颗粒外轮廓要与对应的亚波长金属孔相适应,以保证介质颗粒能够放入该亚波长金属孔,且在金属孔与介质颗粒之间能留出一定的间隙,使介质颗粒与入射电磁波发生良好的耦合作用,从金属板的另一侧辐射出去。
优选地,本实施例电磁波透射增强装置的介质颗粒从该通孔两侧伸出,以保证将入射空间的大部分电磁能量吸收在介质颗粒内部。
本实施例电磁波透射增强装置的金属板可以由金、银、铜、铝等材料制成。
优选地,本实施例电磁波透射增强装置金属板上的亚波长结构的通孔的横截面轮廓可以是圆形、椭圆形、三角形、正方形、长方形或任意不规则形状。
优选地,在金属板上可通过机械方式,如钻孔或化学方法,如化学刻蚀的方法得到该通孔。
进一步地,采用高介电常数温度系数的材料制备该介质颗粒,以实现该介质颗粒的谐振频率随环境温度而变化,从而实现该电磁波透射增强装置透射增强峰值频率的温度可调,也即实现一类温度可调的亚波长金属孔电磁波透射增强装置。
介质颗粒材料的介电常数温度系数可以是正温度系数或负温度系数。若采用负介电常数温度系数的材料,则该电磁波透射增强装置的透射增强峰值频率随温度的升高向高频方向移动;若采用正温度系数的材料,则该电磁波透射增强装置的透射增强峰值频率随温度的升高向低频方向移动。
优选地,该介质颗粒的介电常数温度系数的绝对值大于100×10-6/℃。
由于介质颗粒的谐振频率随温度变化比较明显,所以本实施例电磁波透射增强装置在一些与温度有关的可调控器件的应用中具有明显的优势。如,应用在温度可调控电磁开关中。具体来说,在某一温度,与该温度下介质颗粒的谐振频率相同的入射电磁波能够通过;但温度发生变化时,介质颗粒的谐振频率跟随发生变化,上述频率的入射电磁波将不能通过,从而实现温度开关的功能。
实施例2
图1、图2分别为实施例2电磁波透射增强装置的正向示意图和侧向示意图。其中,1为金属板,2为介质颗粒,3为亚波长结构的通孔。介质颗粒2的中心与该通孔的中心重合并从通孔3两侧伸出,且两侧的伸出量相等。平面电磁波从金属板1的一侧入射到介质颗粒2及通孔3内,在亚波长结构的通孔3内,介质颗粒2与通孔3谐振耦合,并辐射该入射平面电磁波到金属板1的另一侧。
更具体地,在厚度为1mm、大小为30mm×15mm的铝板上采用机械打孔得到边长为5mm的正方形通孔。该正方形通孔内放置边长为2.2mm立方体二氧化钛介质颗粒。该二氧化钛介质颗粒是由在900℃下烧结而成的大块材料切割而成。该二氧化钛介质颗粒的介电常数为98,介质损耗角正切为0.001,介电常数温度系数为-1000×10-6/℃。经过测试,该介质颗粒的谐振频率为11.65GHz。因此,上述通孔和上述介质颗粒都属于亚波长尺度结构。
不放置介质颗粒,将频率为11.0GHz~12.5GHz的平面电磁波对准该铝板的通孔入射,并测试铝板两侧的电磁能量。图3给出了透射系数曲线图,其中横坐标为入射电磁波的频率,纵坐标为透射率。从图3中可看出,透过亚波长金属孔的电磁能量非常小,在11.0GHz到12.5GHz的整个频段上都低于-40dB。
将介质颗粒放入到该亚波长金属孔内,使得介质颗粒的中心与该通孔的中心重合并从通孔两侧伸出,且两侧的伸出量相等。将频率为11.0GHz~12.5GHz的平面电磁波对准该铝板的通孔及介质颗粒入射,并测试铝板两侧的电磁能量。图4给出了透射系数曲线图,其中横 坐标为入射平面电磁波的频率,纵坐标为透射率。从图4中可看出,在介质颗粒的谐振频率11.65GHz处,电磁波对亚波长金属孔的透射率显著地增加了,达到-25dB。
进一步地,将介质颗粒所处环境温度从20℃逐渐升高到90℃时,图5给出了透射增强峰值频率的曲线图。从图5中看出,随着温度的变化,透射增强峰的频率从11.6GHz变化到了12.1GHz。
本实施例电磁波透射增强装置采用负介电常数温度系数的材料制备介质颗粒,因此本实施例电磁波透射增强装置的透射增强峰值频率随温度的升高向高频方向移动。
上述介质颗粒采用二氧化钛材料。本实施例电磁波透射增强装置也可采用介电常数为200、介质损耗角正切为0.001、介电常数温度系数为-3000×10-6/℃的钽酸钾来制备介质颗粒。谐振频率与该入射平面电磁波频率相等的钽酸钾介质颗粒尺寸将不同于上述的二氧化钛介质颗粒,但仍可满足亚波长尺度。相应地,为了与该钽酸钾介质颗粒相适配,该铝板上的亚波长金属通孔的尺寸和/或形状也需要调整。
应该指出,以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围。凡是按照本发明提出的技术思想,在该电磁波透射增强装置基础上所做的任何改动,包括选用多个金属孔的阵列结构,其他的高介电常数温度系数材料、介质颗粒形状、以及通过等比缩小的原则使金属孔及介质颗粒的工作频率提高到毫米波段、太赫兹波段、红外和光学波段时实现的亚波长金属孔的透射增强装置及温度可调透射增强装置,均落入本发明保护范围之内。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,“多个”的含义是两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例以及不同实施例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进 行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.一种电磁波透射增强装置,用于增强入射平面电磁波的透射能力,其特征在于,包括金属板,所述金属板上设置有一个通孔,所述通孔为亚波长结构;所述通孔内设置一个介质颗粒,所述介质颗粒从所述通孔两侧伸出;所述介质颗粒的谐振频率等于所述入射平面电磁波的频率,所述介质颗粒的介电常数大于10。
2.根据权利要求1所述的电磁波透射增强装置,其特征在于,所述介质颗粒的介电常数温度系数的绝对值大于100×10-6/℃。
3.根据权利要求1所述的电磁波透射增强装置,其特征在于,所述介质颗粒的材料为二氧化钛或钽酸钾。
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